Исследование зеркальных антенн

Введение

В данной лабораторной работе представлен пример исследования свойств зеркальной антенны – параболоиды вращения.

Перед выполнением работы необходимо ознакомиться с теорией зеркальных антенн, представленной в источниках [1-3].

Зеркальные антенны представляют собой антенны оптического типа, формирующие луч узкой направленности. Наиболее распространенной формой зеркала является параболоид вращения с излучателем, расположенным в фокусе, обеспечивающим осесимметричное возбуждение. Такой тип антенны позволяет сформировать игольчатую диаграмму направленности с низким уровнем боковых лепестков.

Цель работы

Задачи работы

Создание нового проекта

Добавление блоков на схему

После добавления блоков на схему следует разместить их согласно рисунку (Рисунок 2).

Соединение блоков на схеме

Далее необходимо блоки линиями связи. Для этого следует нажать левой кнопкой мыши по одному из портов, затем навести курсор мыши на другой порт и произвести нажатие левой кнопкой мыши. Между портами блока появится линия связи. Чтобы подсоединить блок к уже существующей линии связи необходимо нажать левой кнопкой мыши по порту и навести курсор на линию связи, после чего нажать левой кнопкой мыши. Таким образом необходимо произвести подключение, как показано на рисунке (Рисунок 3).

Задание свойств блоков

В качестве основы лабораторной работы взята зеркальная антенна из лабораторной работы №3 "Зеркальные антенны" [1]. Рабочая частота данной антенны составляет 8060 МГц, то есть длина волны равняется 0.037 м. Для удобства последующей работы следует открыть окно "Скрипт" (Рисунок 4).

initialization
 f = 8060E+6;//рабочая частота, Гц
 c = 3e+8;//скорость света, м/с
 lambda = c/f;//Длина волны на рабочей частоте
 end;

После требуется сохранить записанное в скрипте, нажав на кнопку Закрыть и применить.

Далее следует задать свойство блоку ДН зеркальной антенны. Для этого следует нажать правой кнопкой мыши по блоку. В появившемся контекстном меню выбрать пункт "Свойства объекта" (данное окно также можно открыть двойными нажатием левой кнопки мыши по блоку). Откроется окно "Свойства" (Рисунок 5).

После этого необходимо изменить значения свойств, как указано на рисунке (Рисунок 6):

В свойстве "Список параметров, выводимых в порты" блока Коэффициенты зеркальной антенны следует изменить значение. Для этого необходимо нажать по полю "Значение" рассматриваемого свойства. Справа от поля появится кнопка Выбор объектов из списка (Рисунок 8).

Откроется окно "Выбор объектов из списка". После этого следует переместить отсутствующие значения в поле "Приёмник" из поля "Источник". Для этого стоит выделить нужные значения через комбинацию клавиш "Shift + Левая кнопка мыши" (клавиша "Shift" должна быть зажата при выделении). Потом надлежит нажать кнопку Добавить (Рисунок 9).

Таким образом значения из поля "Источник" будут перенесены в поле "Приёмник". После переноса для выхода из окна следует нажать кнопку Ok.

Запуск моделирования и построение графиков

Далее необходимо запустить проект на расчет нажатием кнопки Пуск.

По окончании расчета следует открыть блок Визуализация зеркальной антенны, нажав по нему два раза левой кнопкой мыши. Откроются два окна "Параболическое зеркало" и "Амплитудное распределение в раскрыве параболического зеркала". Полученные графики должны соответствовать рисункам (Рисунок 10, Рисунок 11).

На рисунке (Рисунок 10) показан внешний вид зеркальной антенны с сохранением реальных пропорций. В фокусе расположен облучатель, который обозначен схематично в виде конуса. На рисунке (Рисунок 11) показано амплитудное распределение поля в раскрыве параболического зеркала. В соответствии с теорией зеркальных антенн, изложенной в работе [2], при уменьшении диаметра зеркала уровень поля на краю раскрыва должен возрастать, а при увеличении – убывать. Это связано с тем, что при неизменной ширине ДН облучателя часть поля "переливается" через края зеркала. В интересах демонстрации данного эффекта следует открыть свойства блока Зеркальная антенна и поменять значение "Радиус рефлектора, м" на "0.1". Далее стоит запустить программу на расчет и рассмотреть изменение уровня поля на краях раскрыва. Затем необходимо изменить значение свойства "Радиус рефлектора, м" на "0.2".

Результаты расчёта амплитудного распределения для этих значений радиуса представлены на рисунках (Рисунок 12, Рисунок 13).

Таким образом наблюдается закономерность: при увеличении радиуса с 0.1 м до 0.2 м уровень поля падает с 0.3 до 0, что соответствует теории, причём зависимость носит нелинейный характер.

После этого в свойствах блока Зеркальная антенна надо установить радиус рефлектора зеркала равный 0.15 м и запустить модель. По окончании работы следует открыть блоки Диаграмма направленности 2D и Диаграмма направленности полярная 2D , подключенные к блоку ДН зеркальной антенны и запустить проект на расчет.

В результате будет получена ДН зеркальной антенны в декартовой и полярной системах координат (Рисунок 14, Рисунок 15).

Представление ДН в полярной системе координат обычно используется для целей визуализации ДН, так как позволяет показать её более наглядно, в то время как представление в декартовой системе координат позволяет производить измерения параметров ДН, например, ширины по уровню 0.707 (уровень половины мощности). Для измерения следует нажать правой кнопкой мыши по графику в декартовой системе координат. В появившемся контекстном меню стоит выбрать пункт Курсор. Далее в появившемся окне "Курсор: Диаграмма направленности" необходимо добавить второй курсор.

Для этого необходимо в окне "Курсор: Диаграмма направленности" нажать кнопку Новый курсор. Затем активировать курсор для добавления его в таблицу сравнения. После следует ввести в поля "Y: Амплитуда" обоих курсоров значение "0.707" (Рисунок 16).

На графике появится изменения, аналогичные рисунку (Рисунок 17).

Снизу появится поле, в котором будут рассчитываемые величины. Искомой величиной будет являться "dL". В результате будет получена ширина ДН, равная примерно 10°. Согласно теории поверхностных антенн, увеличение размеров раскрыва приведёт к сужению ДН, а уменьшение – к расширению. После этого следует провести расчет ДН зеркальной антенны для радиусов зеркала 0.1 м и 0.2 м. (Рисунок 18, Рисунок 19).

При уменьшении радиуса зеркала до 0.1 м наблюдается расширение главного лепестка до 12.3°. При увеличении радиуса зеркала до 0.2 м ситуация обратная: сужается ДН до 9.6°. Это соответствует теории, изложенной в [2].

Анализ работы блока Коэффициенты зеркальной антенны

Теперь следует рассмотреть коэффициенты зеркальных антенны. Для этого следует установить линии связи на схеме: требуется нажать левой кнопкой мыши по выходящему порту из блока Коэффициенты зеркальной антенны после чего нажать на расстоянии правой кнопкой мыши по свободной от блоков части схемы (Рисунок 20).

Таким образом необходимо установить оставшиеся три линии.

Для получения результата необходимо запустить модель, после чего совершить двойное нажатие левой кнопкой мыши по линии из порта с подписью "eff" (Рисунок 21).

Исследование поведения коэффициентов зеркальной антенны даёт понимание основных закономерностей её функционирования.

Анализ работы блока Управление ДН зеркальной антенны

Теперь следует установить радиус зеркала в свойствах блока Зеркальная антенна равным 0.15 м. Для вывода будут использованы блоки Диаграмма направленности полярная 2D, подключенные к блоку Управление ДН зеркальной антенной. Перед работой необходимо их настроить.

Для этого следует открыть свойства одного из блоков и выставить значение для свойства Азимутальный угол отображаемого сечения phi, град. равное "90". Для другого блока для этого свойства следует выставить значение равное "0".

После настройки необходимо запустить модель на расчет.

По окончание расчета требуется открыть блоки Диаграмма направленности полярная 2D (Рисунок 22, Рисунок 23).

Полученные ДН идентичны, так как формируются в отсутствие смещения облучателя.

Для анализа влияния смещения излучателя на диаграмму направленности зеркальной антенны следует в свойствах блока Управление ДН зеркальной антенны задать значение свойства "Смещение облучателя, м" равным "0.01", после чего запустить проект на расчет. Результаты представлены на рисунках (Рисунок 24, Рисунок 25).

Сравнение ДН показывает, что смещение облучателя в фокальной плоскости, перпендикулярно оптической оси, привело к отклонению луча примерно на 4°, вследствие наклона фазового фронта.

Далее следует произвести изменение в блоке Управление ДН зеркальной антенны, в свойстве "Смещение облучателя, м": установить значение равное "0.03". Результаты представлены на рисунках (Рисунок 26, Рисунок 27).

Очевидно, что смещение облучателя привело к изменению направления луча на 13°. Согласно теории, это практически предельное значение отклонения луча, при этом начинают проявляться кубические фазовые искажения, выражающиеся в виде уменьшения амплитуды (соответственно в виде снижения коэффициента усиления).

Для демонстрации кубических искажений следует установить значение смещения облучателя равным 0.05 м, после чего запустить проект на расчет. Результат представлен на рисунках (Рисунок 28, Рисунок 29).

Здесь наблюдается заметное снижение амплитуды (до 0.9) и появление одностороннего бокового лепестка с уровнем 0.2. Эти признаки указывают на кубические искажения фазового фронта.

Заключение

В ходе выполнения данной работы были приобретены навыки работы с библиотекой Антенны для расчёта ДН и коэффициентов зеркальной антенны, а также для её визуализации.

Были изучены закономерности изменения ДН при смещении облучателя и получены результаты расчётом ДН и коэффициентов для различных радиусов зеркала.

Это даёт общее представление о зеркальных антеннах в форме параболоида вращения.

Литература